JP5677710B2 - 導電性材料製又は半導体材料製のナノワイヤを用いたセーベック/ペルティエ効果を利用した双方向性の熱電気変換装置 - Google Patents
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Description
SAとSBは、材料Aと材料Bに関連するセーベック係数(熱起電力とも称する)である。
ここでθDは、デバイ温度(Debye temperature)である。低温では、移送に利用できるフォノンの数は少なくなり、高温では、フォノン−電子の衝突(phonon-electron collisions)ではなく、フォノン−フォノンの衝突(phonon-phonon collisions)により、エネルギーを失う傾向にある。
ここでZABは、材料結合A−Bの熱電気性能指数(thermoelectric figure of merit)である。性能は、ZAB が無限大になると、カルノー機械(Carnot machine)に向かう。それは、更に次式(非特許文献1)で示される。
ここで、KAとKBは、材料AとBの熱伝導率であり、ρAとρBは、電気抵抗率である。その結果、材料の熱電気の性能指数は、次式で表される。
(A)平行に離間して配置された複数のナノワイヤ(2)からなるアレイと、
前記ナノワイヤは、基板(1)の表面上に形成され、その断面又は幅は、40nm以下であり、
(B)低熱伝導率の誘電体材料層と、
前記誘電体材料層は、前記ナノワイヤの間のスペースを埋め、
(C)導電性ストリップ(3)と、
前記導電性ストリップは、前記アレイの両側に配置され、前記アレイのナノワイヤ(2)の端部を接続し、
(D)導電性ワイヤ(4)と
前記導電性ワイヤ(4)は、あるアレイの導電性ストリップ(3)と別のアレイの導電性ストリップ(3)とを直列に接続し、
(E)前記アレイのナノワイヤの両端に接触する2つの表面と
前記2つの表面は、それぞれ、温度差のある部分に接触している
を有する。
この基板は、複数のステップで形成される。このステップは、マスキング・ステップを含む。そのマスキング・ステップの最小ライン幅は、実際に実現される「ナノワイヤ」よりも遥かに(即ち1桁以上)大きい。
パラレルパイプ形状の本体の2つの向かい合った表面は、積層された個々のモジュールのアレイのナノワイヤの両端に対応し、研磨され、かくしてナノワイヤの終端表面が露出する。
更に、ナノワイヤをコンフォーマルに堆積したマトリックス層をプラズマの異方性エッチングすることは、プラズマに露出したナノワイヤの垂直表面上にシワを生成し、これにより熱電気の性能指数を大幅に増加させる。これは、表面における散乱効果が原因であるフォノンとエレクトロン(電子)に対し平均自由行程(mean free path)指数の脱結合を強化するのを利用している。
図2(b)において、堆積ステップに移る。高度にコンフォーマルな状態で、例えば、低温壁の容器内で実行される化学的堆積過程(CVD、LPCVD)で行なわれる。これにより、導電性材料(例、多結晶シリコン)の導電層が形成される。
図2(c)に示すように、多結晶ポリマ材料層である導電層に対し、プラズマによる異方性エッチングを実行し、多結晶ポリマ材料層を水平方向に全て除去する。しかし、垂直方向の層の厚さ(高さ)が変わらないように行なう。
2 ナノワイヤ
3 金属製ストリップ
4 導電性ワイヤ
図2
(a) ライン幅 酸化物 ポリマー
(b) ポリシリコン
(d) ナノキャビティ
(e) ナノワイヤ
Claims (12)
- 同一のモジュールを複数個積層して構成された平行六面体形状のセーベック/ペルティエ効果を利用した双方向性の熱電気変換装置において、
前記各モジュールは、
(A)平行に離間して配置された複数本のナノワイヤ(2)からなるアレイと、
前記ナノワイヤ(2)は、導電体製又は半導体製であり、基板(1)の表面上に形成され、その高さ又は幅又は直径は、40nm以下であり、
(B)低熱伝導率の誘電体材料層と、
前記誘電体材料層は、前記ナノワイヤ(2)の高さ又は幅又は直径を越える厚さを有し、前記ナノワイヤ(2)の間のスペースを埋め、前記基板(1)の表面の対向する両端を除き前記アレイを埋設し、
(C)導電性ストリップ(3)と、
前記導電性ストリップ(3)は、前記アレイの両端に配置され、前記ナノワイヤ(2)を並列接続し、並列接続されたナノワイヤ(2)のアレイらかなる並列接続グループを形成し、
(D)導電性ワイヤ(4)と、
前記導電性ワイヤ(4)は、前記導電性ストリップ(3)に接続され、前記並列接続グループを直列接続し、更に他の電気回路に接続され、
を有し、
前記平行六面体形状の対抗する両端において、前記アレイの端部が整合し、
一方の側の前記導電性ストリップ(3)と他方の側の前記導電性ストリップ(3)が、それぞれ熱電気変換装置の温度差のある表面構成する
ことを特徴とするセーベック/ペルティエ効果を利用した双方向性の熱電気変換装置。 - 前記ナノワイヤ(2)は、
(a1)基板上に、シリコン酸化物、窒化酸化物、窒化シリコン、これらの合金からなる群から選択された材料製で、前記ナノワイヤ(2)の高さ以上の均一厚さを有する犠牲層を堆積するステップと、
(a2)前記犠牲層の一部を光リソグラフィ技術でエッチングして、垂直なエッチング表面を有する平行なキャビィティを形成するステップと、
(b)前記キャビィティ内と前記犠牲層の残留部分の上に、前記ナノワイヤとなる材料の層をコンフォーマルに堆積するステップと、
(c)前記コンフォーマルに堆積したナノワイヤの材料層を、プラズマによる異方性エッチングで水平方向に除去するステップと、
(e)前記犠牲層の残留部分を選択的エッチングで除去するステップと、
で形成される
ことを特徴とする請求項1記載の熱電気変換装置。 - 前記基板は、単一成分ガラス、多成分ガラス、シリカエーロゲル、シリコン、ポリマー材料からなる群から選択された材料で形成される
ことを特徴とする請求項1記載の熱電気変換装置。 - 前記基板は、アンドープの多結晶シリコンのフィルムでコーティングされたシリカエーロゲル製である
ことを特徴とする請求項3記載の熱電気変換装置。 - 前記基板は、有機ポリマー材料製である
ことを特徴とする請求項3記載の熱電気変換装置。 - 前記基板は、その裏面に複数の溝、又はその表面にある前記ナノワイヤの長手軸方向に直交する方向に内部キャビティを有する
ことを特徴とする請求項3記載の熱電気変換装置。 - 前記ナノワイヤ(2)は、周期律表のIV族に属する元素製又はその合金製であり、かつ抵抗率が1Ωcm以下となるようなドーパント濃度を有する
ことを特徴とする請求項1記載の熱電気変換装置。 - 前記誘電体材料層は、シリカエーロゲル、又はアルミナ或いは他の酸化物のゾル・ゲルを塗布し乾燥させることにより生成した物である
ことを特徴とする請求項1記載の熱電気変換装置。 - 前記導電性ストリップ(3)は、セーベック係数が低い金属製あるいは合金製である
ことを特徴とする請求項1記載の熱電気変換装置。 - フラッシングで形成された数nmの厚さの適合性又は接着性フィルムを更に有する
ことを特徴とする請求項1記載の熱電気変換装置。 - 前記隣接するナノワイヤ(2)の間の距離は、前記犠牲層のフォトリソグラフィ技術で形成できる最小ライン幅に対応する
ことを特徴とする請求項1記載の熱電気変換装置。 - 前記ナノワイヤ(2)の材料は、ナノキャビティを有し、
前記ナノキャビティは、
(d1)ヘリウムを前記ナノワイヤ材料に注入するステップと
(d2)このヘリウムが注入されたナノワイヤ材料を加熱するステップと
で形成される
ことを特徴とする請求項1記載の熱電気変換装置。
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